Что такое напряжение питания двигателя

Электродвигатель постоянного тока

• Постоянная момента
• Постоянная ЭДС
• Постоянная электродвигателя
• Жесткость механической характеристики

• Напряжение электродвигателя
• Мощность электродвигателя постоянного тока
• Механическая постоянная времени

Постоянная момента

,

• где M — момент электродвигателя, Нм,
• – постоянная момента, Н∙м/А,
• I — сила тока, А

Постоянная ЭДС

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протекающего в проводнике тока.

Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам двигателя. Это и есть противо-ЭДС. Направление противо-ЭДС противоположно приложенному к двигателю напряжению. Значение противо-ЭДС пропорционально частоте вращения и определяется из следующего выражения: [1]

,

• где — электродвижущая сила, В,
• – постоянная ЭДС, В∙с/рад,
• — угловая частота, рад/с

Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой K_T = K_E. Постоянные K_T и K_E равны друг другу, если они определены в единой системе едениц.

Постоянная электродвигателя

Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока является постоянная электродвигателя K_м. Постоянная электродвигателя определяет способность электродвигателя преобразовывать электрическую энергию в механическую.

,

• где — постоянная электродвигателя, Нм/√ Вт ,
• R — сопротивление обмоток, Ом,
• – максимальный момент, Нм,
• — мощность потребляемая при максимальном моменте, Вт

Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток, при условии, что используется один и тот же материал проводника. Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными проводами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом постоянная электродвигателя останется не изменой.

Жесткость механической характеристики двигателя

,

• где — жесткость механической характеристики электродвигателя постоянного тока

Напряжение электродвигателя

Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается падение напряжения в щеточно-коллекторном узле):

,

• где U — напряжение, В.

Уравнение напряжения выраженное через момент двигателя будет выглядеть следующим образом:

Соотношение между моментом и частотой вращения при двух различных напряжениях питания двигателя постоянного тока неизменно. При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается. Наклон этой функции K_TK_E/R постоянный и не зависит от значения напряжения питания и частоты вращения двигателя.

Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это характерно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях [1].

Мощность электродвигателя постоянного тока

Упрощенная модель электродвигателя выглядит следующим образом:

• где I – сила тока, А
• U — напряжение, В,
• M — момент электродвигателя, Н∙м
• R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом,
• L — индуктивность, Гн,

• P_эл — электрическая мощность (подведенная), Вт
• P_мех — механическая мощность (полезная), Вт
• P_теп — тепловые потери, Вт
• P_инд — мощность затрачиваемая на заряд катушки индуктивности, Вт
• P_тр — потери на трение, Вт

Механическая постоянная времени

Механическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое частота вращения ненагруженного электродвигателя достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где — механическая постоянная времени, с

Просто о двигателях постоянного тока

На первый взгляд моторы постоянного тока кажутся довольно простыми. Подаем напряжение на оба контакта, и даааа, он крутится! А если мы хотим изменить направление движения ? Правильно, меняем провода местами. А что если нужно заставить двигатель вращаться на меньших оборотах? Нужно использовать меньшее напряжение питания. Но как робот может сделать все это автоматически? Как определить, какое напряжение подавать? Почему не 50 а 12 вольт? Что случится, если мотор перегреется? Управление двигателем намного интереснее чем кажется!

Считается, что мотор постоянного тока не имеют полярности — имеется в виду, что можно менять полярность питания без каких-то вредных последствий. Обычно моторы постоянного тока питаются напряжением от 6 до 12В. Более мощные питаются от 24В и выше. Но для роботов лучше всего использовать питание в диапазоне 6-12В. Так почему же моторы работают на различном напряжении? Как известно (или должны быть известно), напряжение прямо пропорционально вращающему моменту. Больше напряжение, выше момент. Но не подавайте на мотор 100В, ничего хорошего из этого не выйдет )) Мотор рассчитан на напряжение, при котором он будет работать наиболее эффективно. Если подать слишком маленькое напряжение, мотор едва будет крутиться, если слишком много, он перегреется и обмотки расплавятся. Так что основным правилом можно считать подачу напряжения, приближенного к номинальному. К тому же, несмотря на то, что 24В двигатель может быть мощнее, разве стоит нагружать робота 24В батареями, которые значительно тяжелее и больше? Я предлагаю не использовать напряжения выше 12 вольт для до тех пор, пока не понадобится действительно высокая мощность.

Обязательно нужно обратить внимание на ток. Слишком мало, не будет крутиться. Слишком много и получим расплавившиеся обмотки. Когда покупаете мотор, следует обратить внимание на два значения. Первое — рабочий ток. Это среднее количество тока, потребляемое двигателем для работы при стандартной нагрузке. Умножим это значение на напряжение и получим среднюю мощность, потребляемую двигателем. Другое значение, на которое нужно обратить внимание это ток потребления при заблокированном роторе. Эта величина получается при подаче питания на двигатель и приложении достаточной силы что бы остановить его. Это максимальное значение потребляемого двигателем тока, а значит и максимальное значение потребляемой мощности. Поэтому нужно создавать систему управления таким образом, что бы она выдерживала ток при заблокированном роторе. К тому же, если вы планируете постоянно использовать двигатель, или подавать напряжение выше номинального, хорошо бы охлаждать двигатель для предупреждения перегрева.

Насколько большое напряжение можно подать на двигатель? Обычно все моторы рассчитаны (или должны рассчитываться) на определенную мощность. Мощность это энергия. Неэффективность преобразования электричества в движение напрямую связано с нагревом. Слишком много тепла и обмотки двигателя расплавятся. Поэтому производители моторов (качественных) знают, какая мощность приведет к повреждению двигателя и дают эту информацию в документации на двигатель.Поэкспериментируйте, что бы определить, какое количество тока потребляет двигатель при используемом напряжении.

Мощность [Ватт] = Напряжение [Вольт] * Ток [Ампер]

Для смены направления вращения необходимо изменить полярность питания. Двигатель обладает собственной индукцией и моментом, которые сопротивляются этому изменению напряжения. Поэтому при смене направления вращения двигателя происходит мощный кратковременный выброс. Напряжение импульса может вдвое превышать напряжение питания. Ток примерно равняется максимальному. Отсюда вывод, силовая система управления должна быть рассчитана на мощные электрические импульсы.

При покупке двигателя постоянного тока нужно обратить внимание на два значения крутящего момента. Первый — рабочий крутящий момент. Это момент, на который рассчитан двигатель. Обычно это заявленное значение. Другое значение — момент при заблокированном роторе. Это момент, требуемый для остановки двигателя при вращении. Обычно используется только рабочий момент, но бывают случаи, когда нам нужно знать, насколько можно нагрузить двигатель. Если вы создаете колесного робота, большой момент означает хорошее ускорение. Мое личное правило — если на роботе 2 двигателя, момент каждого должен превышать вес робота на плече равном радиусу колеса. Всегда отдавайте предпочтение моменту перед скоростью. Помните, как сказано выше, значение крутящего момента может изменяться в зависимости от поданного напряжения. Так что если требуется чуть больший момент для того, что бы сломать что-то, подаем напряжение на 20% больше номинального, это безопасно для нас, но даст прирост мощности. Главное помните что это снижает КПД и требует дополнительного охлаждения двигателя.

Скорость довольно сложное понятие когда речь заходит о моторах постоянного тока. Основное правило — двигатель работает наиболее эффективно на максимально возможных оборотах. Очевидно, что это не возможно. Бывает, нам нужно что бы робот двигался медленно. Первое что приходит в голову — шестерни, с их использованием двигатель может крутиться быстро, а с него можно снимать высокий момент. К сожалению, шестерни автоматически снижают эффективность, имея КПД не более 90%, Поэтому заложим 90% скорости и момента на каждую шестерню при расчете редуктора. Например, у нас есть 3 прямозубые шестерни, следовательно соединяя их дважды, мы получим КПД 90% x 90% = 81%. Напряжение и сопротивление вращению очевидно снижают скорость.

Наиболее важной технологией управления мотором постоянного тока на сегодня является Н-мост. После того как Н-мост будет подключен к двигателю, для определения скорости вращения и положения вала нужно использовать энкодер. И наконец, нужно найти хороший способ торможения двигателя.

Подключение конденсатора емкостью несколько микрофарад между клеммами двигателя поможет продлить срок службы. Этот способ отлично работает с шумными и другими недорогими двигателями, почти удваивает ресурс двигателя. Однако, это намного меньше по сравнению с дорогими высококачественными моторами. Дополнительные способы выбора мотора для робота можно найти в статье про динамику роботов.

Вычисление Сопротивления и мощности рассеивания ток-ограничивающих резисторов

Замечение: Только для L/R систем.

Это простое применение закона Ома для последовательной цепи. Ваш резистор должен сбрасывать разницу в напряжении между расчетного напряжения шагового двигателя и напряжением источника питания:
Изменение напряжения на резисторе = Напряжение источника питания — расчетное напряжение шагового двигателя.

Применяя закон Ома, делим на ток шагового двигателя получаем сопротивление резистора:
Значение резистора = Изменение напряжения на резисторе / Ток обмоток ШД.

Наконец, и это очень важно, вам нужно знать мощность рассеивания резистора которые он будет рассеивать в виде тепла, на которую он должен быть рассчитан.
Значение мощности рассеивания резистора = Изменение напряжения на резисторе * Ток обмоток шагового двигателя.

Например: Шаговый двигатель промаркирован 5A на 2.5V, с источником питания в 26В имеем:
Изменение напряжения на резисторе = 26В — 2.5В = 23.5В
Сопротивление резистора = 23.5В / 5А = 4.7 Ом
Мощность рассеивания резистора = 23.5В * 5А = 117.5 Ватт

Номинальное напряжение и напряжение питания

Наверное, одним из самых запутанных моментов является несоответствие напряжения на обмотке, указанного в паспорте машины, и реального напряжения источника питания, используемого для питания электрической машины. Если в техпаспорте указывается напряжение обмотки равное 3,4 В, то как получается, что электродвигатель подключается к источнику 48 В постоянного тока? Или иногда и к 80 В.

Номинальное напряжение не настолько критично, обратите внимание на ток.

Такое подключение стало возможным благодаря тому, что большинство современных драйверов имеют встроенное ШИМ управление выходным напряжением. Драйверы контролируют ток обмотки. Когда ток доходит до максимального значения (определяется максимальным током электрической машины), драйвер отключает питание, или снижает значение тока. При этом превышать максимальное напряжение драйвера нельзя.

Рассмотрим небольшой пример на основе шагового электродвигателя с номинальными данными: U_н = 12 В, I_н = 0,33 А, активное сопротивление обмотки R = 32,6 Ом, реактивное сопротивление обмотки L = 48 мГн.

12 В – это не максимально допустимое напряжение. Это напряжение нормальной работы, при котором в обмотке будет протекать ток равный 0,33 А.

Если вы управляете электрической машиной с помощью очень простого или Н-мостового драйвера, то вам необходимо ограничивать напряжение 12 В для предотвращения превышения номинального тока.

В случае использования драйвера с прерывателем (chopper drive), превышение номинального напряжения не является проблемой. Чем выше будет напряжение – тем быстрее машина достигнет магнитного насыщения. Приведенная ниже формула это иллюстрирует:

Приведенная формула вычисляет ток обмотки электродвигателя за определенный промежуток времени.

Ток, через катушку индуктивности 50 мГн, в течении 1 мс увеличивается пропорционально напряжению.

Если двигатель «перешагнет» прежде, чем сможет достаточно насытиться для развития необходимого момента, он начнет «терять» шаги. Если вы обнаружите, что такое происходит с вашей машиной на большом ходу – рассмотрите вариант повышения напряжения питания.

УКД: принцип работы и характеристики

Это однофазные двигатели, работающие на высоких оборотах при любом типе подводимого электричества.

Ответ на вопрос, почему такое устройство работает от переменного тока, заключается в том, что направление вращающего момента не меняется. Полярность полюсов статора меняется практически одновременно с изменением токового направления в якорной обмотке.

Важно! Для этого применяют последовательное возбуждение двигателя. Следовательно, ток возбуждения и ток якоря – один и тот же.

Потому при смене положительных и отрицательных полупериодов практически одновременно изменяются и ток в якорной обмотке Iа, и магнитный поток Ф.

Электробезопасность

Вторая причина, по которой аккумуляторы имеют напряжение 12В — это электрическая безопасность. Действительно, от 12В очень сложно получить сильный удар током. Также такая мощность проще «переваривается» мелкой электроникой, работающей на низком напряжении.

Лампочки, электронные платы, прочая электрика в авто работает как слаботочная система. Для неё не нужно толстых проводов или кабелей питания, а также преобразователей напряжения.

Генератору автомобиля проще зарядить аккумулятор ёмкостью 12В. Увеличение мощности батареи привело бы к изменению строения самого генератора. Его бы пришлось видоизменять, дополнительно защищать, и, возможно, увеличивать в размере. А это сказалось бы на размещении его в подкапотном пространстве. Что было бы невыгодно и неэффективно.

Диагностика реле регулятора

Определить поломки регулятора напряжения можно по признакам косвенным. Прежде всего, это некорректная зарядка АКБ:

• перезаряд – выкипает электролит, раствор кислоты попадает на детали кузова
• недозаряд – ДВС не запускается, лампы горят в пол накала

Однако предпочтительнее диагностика приборами – вольтметром или тестером. Любое отклонение от максимального значения напряжения 14,5 В (в некоторых авто бортовая сеть рассчитана на 14,8 В) на больших оборотах или минимального значения 12,8 В на малых оборотах становится причиной замены/ремонта реле регулятора.

Встроенного

Чаще всего регулятор напряжения интегрирован в щетки генератора, поэтому необходимо уровневое обследование этого узла:

• после снятия защитной крышки и ослабления винтов щеточный узел извлекается наружу
• при износе щеток (осталось меньше 5 мм их длины) замена должна производится в обязательном порядке
• диагностика генератора мультиметром производится в комплекте с аккумулятором или зарядным устройством
• «минусовой» провод от источника тока замыкается на соответствующую пластину регулятора
• «плюсовой» провод от ЗУ или АКБ подключается к аналогичному разъему реле
• тестер устанавливается в режим вольтметра 0 – 20 В, щупы накладываются на щетки
• в диапазоне 12,8 – 14,5 В между щетками должно быть напряжение
• при увеличении напряжения больше 14,5 В стрелка вольтметра должна быть на нуле

Рис. 22 Диагностика реле встроенного

В данном случае вместо вольтметра можно использовать лампу, которая должна гореть в указанном интервале напряжения, гаснуть при увеличении этой характеристики больше этого значения.

Выносного

Никаких отличий в диагностике для выносного реле не существует, зато его не нужно демонтировать из корпуса генератора. Проверить реле регулятор напряжения генератора можно при работающем двигателе, изменяя обороты с низких на средние, затем высокие. Одновременно с увеличением оборотов нужно включить дальний свет (как минимум), кондиционер, монитор и прочие потребители (как максимум).

Рис. 23 Диагностика выносного регулятора напряжения

Таким образом, при необходимости владелец транспортного средства может заменить штатное реле регулятор напряжения на более современную модификацию встраиваемого или выносного типа. Диагностика работоспособности доступна собственными силами при наличии обычной автомобильной лампы.